Elektrony walencyjne, znajdujące się w najbardziej zewnętrznej powładzie atomu, odgrywają ważną rolę w prowadzeniu reakcji chemicznych i tworzeniu wiązań z innymi atomami.
Ale obrazowanie tych cząstek podczas wykonywania tej pracy jest trudne. Elektrony walencyjne są nie tylko niewiarygodnie małe, ale także tworzą wiązania chemiczne w femtosekundach - zaledwie kwadrillionów sekundy.
Teraz eksperyment w Departamencie Energii National Accelerator Laboratory po raz pierwszy połączył technologię promieniową zaawansowaną X - z Cuting -, aby wyobrazić sobie wpływ ruchu elektronu walencyjnego w czasie rzeczywistym w reakcji chemicznej.
Używając wyjątkowo jasnego X - impulsów promieniowych z ultraszybnego źródła światła SLAC (LCLS), zespół instytucjonalny Multi - śledził pojedynczy elektron walencyjny, gdy kierował dysocjacją wodoru z cząsteczki ammonii.
Wyniki, opublikowane w czasopiśmieFizyczne listy recenzji, może pomóc zarówno naukowcom lepiej zrozumieć chemię na podstawowym poziomie, jak i lepiej kontrolować wyniki reakcji chemicznych. Ta wiedza z kolei można wykorzystać do projektowania materiałów i technologii generowania następnego -.
Śledzenie elektronu walencyjnego podczas reakcji
Naukowcy od lat próbują śledzić ruchy pojedynczego elektronu podczas reakcji chemicznej. Jednak obrazowanie tej podróży było nieuchwytne na kilku poziomach, ponieważ trudno było izolować pojedyncze elektrony od wielu elektronów w atomie, a także niemożliwe było to zrobić w niezwykle szybkiej skali czasowej, w której zachodzą reakcje chemiczne.
W SLAC zespół badawczy postanowił wypróbować nowe podejście, które obejmowało zarówno teorię, jak i eksperymenty. Korzystając z mocy LCLS, X - lasera Ray, używali czasu - rozwiązanego x - rozpraszanie promieni - forma obrazowania na poziomie atomowym i w fazie femtosekund, które są wystarczająco czuły, aby śledzić dystrybucję elektronów -}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}} i sparowania techniki z proponowanymi symulacjami.
Zespół prowadził Ian Gabalski, doktorat. Student na Uniwersytecie Stanforda, profesor Philip Bucksbaum w Stanford Pulse Institute i Nanna List, adiunkt chemii teoretycznej w KTH Royal Institute of Technology, Szwecja, a na University of Birmingham, Wielka Brytania Gabalski Gabalski prowadził eksperyment i analizę danych, podczas gdy lista dostarcza teorii i symulacji, które prowadziły wybór reakcji, a później wymagane do ustalenia tego, że eksperyment był skomplikowany w elektronicznej analizie elektronicznej Przegrupowanie.
Aby śledzić wpływ ruchu elektronowego, zespół stworzył obudowę wysokiej - amoniaku gęstości i wzbudził go laserem ultrafioletowym. Gdy laser przeszedł przez gaz, promienie X - z LCLS uderzają w elektrony i rozproszyły się. „I wszystko dzieje się w ciągu 500 femtosekund” - powiedział Gabalski.
W większości cząsteczek elektrony rdzeniowe, które są ściśle związane z atomami, przewyższają zewnętrzne elektrony walencyjne. Ale w małych i lekkich cząsteczkach, takich jak amoniak, który składa się z atomu azotu i trzech atomów wodoru, elektrony walencyjne znacznie przewyższają elektrony rdzeniowe. Oznacza to, że sygnał rozpraszania promieni X - z elektronów walencyjnych jest wystarczająco silny, aby je śledzić i „zobaczyć”, jak się poruszyły, jednocześnie wywnioskując pozycje atomów.
Naukowcy wiedzieli już, że fotoeksytny amoniak ewoluuje ze struktury, w której atomy azotu i wodoru tworzą piramidę do takiej, w której wszystkie atomy leżą w płaszczyźnie. Ostatecznie jeden z hydrogenów odrywa się od tej płaskiej geometrii i fragmenty cząsteczki. Dzięki swojej technice rozpraszania promieni x - badacze byli w stanie wyobrazić ruch elektronów, który napędzał to rearanżowanie jądrowe.
Obliczenia listy były kluczem do interpretacji danych. „Zwykle musimy wywnioskować, w jaki sposób elektrony walencyjne poruszają się podczas reakcji, a nie widzieć je bezpośrednio, ale tutaj moglibyśmy obserwować, jak ich rearanżacja rozwija się poprzez bezpośrednie pomiary” - powiedział List. „To była bardzo fajna współpraca między teorią a eksperymentem”.
Po różnych szlakach reakcji chemicznej
Śledzenie ruchu elektronów walencyjnych zapewnia również okno na różne ścieżki, które mogą wykonać reakcje chemiczne, napędzane ruchem elektronicznym.
„Jeśli próbujesz zsyntetyzować cząsteczkę dla nowego farmaceutycznego lub materiału, te reakcje chemiczne zawsze rozgałęzią się zarówno na pożądane, jak i niepożądane ścieżki” - powiedział Gabalski. „Kiedy nie idzie tak, jak chcesz, tworzy produkty uboczne. Więc jeśli rozumiesz, jak to działa, możesz wymyślić, jak skierować tę reakcję w żądanym kierunku. Może to być bardzo potężne narzędzie chemii w ogóle”.
Zespół ma nadzieję, że nadal będzie udoskonalić swoje techniki, aby uchwycić jeszcze lepsze obrazy, szczególnie przy jeszcze mocniejszych wiązkach Raya X - po ostatniej aktualizacji LCLS.
„Widzieliśmy te sygnały elektronów walencyjnych na morzu rdzenia elektronów, które otwierają wiele nowych możliwości” - powiedział List. „Był to dowód koncepcji, który zmusił nas do widzenia rzeczy, których wcześniej nie mogliśmy zobaczyć”.
